Como o Catalisador Salvou o Motor de Combustão Interna?

O conversor catalítico é um dispositivo de controle de emissões pós-escape que converte o monóxido de carbono, hidrocarbonetos e óxidos de nitrogênio dos gases de escape em compostos inofensivos por meio de reações químicas, e que desde 1975 mantém o motor de combustão interna abaixo do limite imposto pelas leis de emissões de escape. Quando o Clean Air Act dos EUA, nos anos 1970, forçou um redesenho completo do motor, esse pequeno cilindro cerâmico foi a forma mais prática de cumprir o prazo; no entanto, o resultado foi o ponto de partida de uma cadeia tecnológica que se estende da morte do carburador à injeção eletrônica de combustível.

Cidades Poluídas e o Prazo de Redução de 90%

No final dos anos 1960, a qualidade do ar nas cidades americanas havia se deteriorado de forma mensurável junto com o crescimento do transporte motorizado. O smog em Los Angeles foi o primeiro grande caso que mostrou ser possível identificar a origem do problema, e a Califórnia foi o estado que implementou as primeiras regulamentações de emissões de escape (tailpipe) no final dos anos 1960. Em 1967, os esforços estaduais foram unificados sob um único guarda-chuva; a infraestrutura institucional estava estabelecida, mas o verdadeiro marco viria no nível federal.

O Clean Air Act de 1970 foi redigido com uma aposta tecnicamente ousada: o Congresso exigiu que os automóveis alcançassem uma redução de 90% nas emissões de hidrocarbonetos, monóxido de carbono e NOx até o ano-modelo 1975. O detalhe que torna isso impressionante é que os responsáveis pela decisão sabiam que a tecnologia capaz de proporcionar essa redução ainda não existia. A lei era produto não do departamento de engenharia, mas de uma filosofia regulatória que definia primeiro a meta e forçava a solução depois. A exigência estadual anterior da Califórnia, com data mais precoce, havia preparado o terreno para essa abordagem do Congresso.

Para compreender a escala, basta olhar os números: veículos sem controle produziam cerca de 90 gramas de CO por milha, os modelos de 1974 haviam reduzido isso para 28 gramas, e a meta de 1975 era 15 gramas por milha. Além disso, a Europa só adotaria uma regulamentação semelhante em 1992. Os fabricantes de veículos viram o investimento em tecnologia pós-escape como um caminho mais rápido e menos arriscado do que reformar radicalmente o próprio motor: a vantagem do conversor era que ele podia ser adicionado à linha de escape sem exigir mudanças profundas no projeto básico do motor.

A Longa Linha de Desenvolvimento do Conversor

O dispositivo não foi inventado de repente em 1975. Os primeiros protótipos foram projetados na França no final do século 19; eram estruturas com cilindros metálicos duplos revestidos de platina-rodio-paládio. O detentor mais importante da ideia, próximo da produção em série, foi o engenheiro mecânico francês Eugene Houdry tornou-se. Houdry, que inventou o cracking catalítico nos anos 1930 e emigrou para os EUA, começou a se interessar pelo smog de Los Angeles no início dos anos 1950, fundou a empresa Oxy-Catalyst e, após desenvolver conversores para chaminés e empilhadeiras, obteve sua patente para aplicação automotiva em meados dos anos 1950.

O obstáculo diante de Houdry não era a tecnologia, mas a própria gasolina: o tetraetila de chumbo revestia a superfície do catalisador, tornando o dispositivo inútil; na linguagem da engenharia, envenenamento do catalisador. Por isso, Houdry abandonou o automóvel e se voltou para aplicações industriais. Ou seja, o nascimento do conversor automotivo e a sentença de morte da gasolina com chumbo estavam na mesma equação; o prazo concedido a um determinava o destino do outro.

A transição para a produção em série foi concluída com o encontro de duas competências industriais distintas. Na Engelhard, Carl D. Keith, John J. Mooney, Antonio Eleazar e Phillip Messina desenvolveram o primeiro conversor de produção em série em 1973 . No lado da tecnologia de vidro, na Corning Glass, Rodney Bagley, Irwin Lachman e Ronald Lewis inventaram o substrato monolítico de cerâmica de cordierita, hospedeiro do catalisador; esses três nomes entraram para o National Inventors Hall of Fame em 2002. A Chrysler apresentou dados de testes à EPA com veículos protótipo de conversores duplos da Engelhard e foi uma das primeiras marcas a entrar em cena com o pacote do ano-modelo 1975.

Fim da Gasolina com Chumbo: O Preço do Conversor

Havia uma equação funcionando no sentido oposto ao do caminhão: a gasolina com chumbo foi removida primeiro não tanto por razões de saúde, mas porque danificava os conversores. A redução do chumbo começou em 1974 com a autorização das emendas ao Clean Air Act, e a partir do ano-modelo 1975 a gasolina com chumbo foi proibida em veículos com conversor. Em nosso tanque e na bomba, isso significava, na prática, uma segunda revolução; a gasolina sem chumbo exigia um reprocessamento mais abrangente do que a produção à qual as refinarias, que elevavam o valor de octana com chumbo, estavam acostumadas. A fórmula da gasolina tornara-se uma peça de um sistema que mudava simultaneamente com o projeto do motor.

A transição não foi completa: para veículos antigos sem conversor, a gasolina com chumbo pôde ser vendida até 1995; nessa data, as emendas ao Clean Air Act impuseram uma proibição total à gasolina com chumbo em veículos. Uma única medida resume o retorno social dessa transição: após a redução do chumbo, foi registrada uma queda de 88% na proporção de crianças com altos níveis de chumbo no sangue. A cadeia que parte da regulação de emissões, sai do escapamento e se estende à saúde pública deu seu resultado mais concreto na produção da refinaria de petróleo.

A Sonda Lambda e o Nascimento do Controle de Malha Fechada

Para liberar todo o potencial do catalisador de três vias (TWC), era necessário um componente além do próprio conversor. O TWC converte com eficiência os três poluentes simultaneamente apenas quando a relação ar-combustível está dentro de uma faixa muito estreita em torno do ponto estequiométrico; se a mistura for pobre, a redução de NOx cai, e se for rica, a oxidação de CO e hidrocarbonetos diminui. Um motor carburado não podia proporcionar essa precisão, portanto, nos primeiros veículos com conversor, o oxigênio do escapamento, como complemento, injeção de ar secundária foi usado.

A solução foi o sensor de oxigênio colocado na linha de escape: no mundo automotivo, esse componente é sensor lambda conhecido como tal, recebe o nome da razão de equivalência ar-combustível λ. Seu princípio de funcionamento é extremamente simples; se o sensor vê oxigênio no escape, a mistura é pobre, se não vê, é rica. A ECU (unidade de controle eletrônico) ajusta o fornecimento de combustível de acordo com esse sinal e mantém a razão no ponto estequiométrico. Os sensores de oxigênio possibilitaram o verdadeiro controle de emissões em malha fechada, fornecendo uma medição precisa da razão ar-combustível; os primeiros veículos com sensor tinham um único sensor.

O motor moderno levou essa arquitetura aos extremos. A injeção eletrônica de combustível produz uma mistura precisa que oscila continuamente entre pobre e rica; os dois sensores de oxigênio antes e depois do conversor fornecem um fluxo contínuo de dados à ECU, e a injeção de ar não é mais necessária. A única exceção é uma decisão deliberada de engenharia: quando se deseja alta carga e potência máxima, o controle em malha fechada é suspenso e a mistura rica é comandada. Ou seja, o ciclo lambda é uma zona de proteção que pode ser intencionalmente interrompida em prol do desempenho.

De Bidirecional para Tridirecional: Capturando o Trio de Poluentes

Os primeiros conversores eram bidirecionais: oxidavam o monóxido de carbono e os hidrocarbonetos em CO2 e água, mas não tocavam nos NOx. Nos anos 1970, foram desenvolvidos sistemas de catalisadores duplos para NOx; uma unidade de redução à base de rodio-platina e uma unidade de oxidação à base de paládio-platina eram dispostas em série. O sistema funcionava, mas era volumoso e caro. O verdadeiro salto veio com o catalisador tridirecional: a conversão simultânea de NOx, HC e CO em um único dispositivo.

O calendário comercial foi rápido. A Volvo, com a especificação da Califórnia, fez a primeira aplicação comercial de TWC no modelo de Volvo 240 de 1977; quase todos os fabricantes atenderam aos requisitos federais de NOx do ano-modelo de 1981 com catalisadores tridirecionais. Já a Toyota aplicou em 1978 o primeiro conversor tridirecional de pellets do Japão e desenvolveu o primeiro TWC do mundo com armazenamento de oxigênio; os compostos de céria/céria-zircônio como promotores de armazenamento de oxigênio e cerâmica, relaxando um pouco a tolerância de faixa estreita, facilitaram o funcionamento do sistema.

O Conversor Realmente Causa Perda de Potência?

Esse era o argumento principal dos céticos em 1975: uma resistência de escapamento adicional sufocaria a respiração do motor. Os registros históricos não oferecem um quadro quantitativo de quantos cavalos essa primeira geração "engoliu"; no entanto, o fato de o conversor poder ser adicionado à linha de escapamento sem tocar no projeto básico do motor foi a escolha de engenharia mais sensata daquele ano. As décadas seguintes provaram o contrário aos céticos: com a combinação de controle de combustível em malha fechada, injeção precisa e um TWC operando em faixa estreita, os projetos modernos de motores passaram a produzir potência igual ou maior com menos combustível do que as gerações anteriores. A tecnologia pós-escapamento transformou-se na parceira natural do objetivo de eficiência.

Hoje, o quadro válido para as falhas é diferente e consta nas fontes de assistência técnica: um conversor entupido ou defeituoso se manifesta com perda de potência, queda na aceleração e deterioração da economia de combustível. Um conversor saudável, por sua vez, é silencioso; pode até contribuir não apenas para a meta de emissões, mas também para a eficiência do motor. Sua física de funcionamento é projetada de acordo: o conversor precisa atingir a temperatura de operação (light-off), cerca de 400 °C, por isso é montado o mais próximo possível do motor ou adicionalmente como pre-cat.

Depois do Escapamento: A Era Diesel e os Problemas de Hoje

O par regulamentação-engenharia não deixou a tecnologia pós-escapamento parar. No lado diesel, os filtros de partículas (DPF) 1 de janeiro de 2007 tornaram-se obrigatórios em todos os diesel de passeio produzidos após essa data; em 2010, a maioria dos fabricantes de diesel comerciais leves nos EUA adicionou sistemas SCR para a redução de NOx, e essa arquitetura baseada em uréia (DEF) tornou-se equipamento padrão. Cada passo seguiu o modelo estabelecido pelo TWC a gasolina: primeiro um limite legal, depois uma solução química e, em seguida, uma arquitetura de sensores e controle que alimenta essa solução.

O balanço de 55 anos do Clean Air Act é concreta e mensurável: melhoria duradoura nas emissões dos veículos, saída completa da gasolina com chumbo, intervenção nos problemas da chuva ácida e da camada de ozônio e, em um dos poluentes, redução de 78%. Há também um resultado inverso: o aumento dos preços dos metais preciosos ampliou o roubo de conversores catalíticos, que se tornaram alvo dos metais do grupo da platina; o preço da platina corrigido pela inflação subiu de cerca de 800 dólares/onça em 1986 para 1.400 dólares/onça, e os conversores roubados podem ser vendidos por até 150 dólares para ferro-velhos. Ou seja, o motor que ele salvou em 1975 se tornou, hoje, um componente que precisa de proteção física.

Em conclusão, o conversor catalítico salvou o motor de combustão interna da extinção legal em 1975; mas, mais importante, transportou o motor do mundo mecânico do carburador para o mundo de circuito fechado dos sensores e da ECU. Embora a meta de redução de 90% parecesse uma aposta, o preço pago foi a gasolina com chumbo, e o resto se transformou em uma história de eficiência que dura meio século.

Fontes

• Clean Machine - Science History Institute
• Catalytic converter - Wikipedia
• Clean Air Act Requirements and History - EPA
• Gasoline and the Environment: Leaded Gasoline - U.S. EIA
• The History of the Clean Air Act and Corning's Role - Corning
• Catalytic Converter: Big 'If' of 1975 - The New York Times (1974)
• Evaluation of a 1975 Prototype Chrysler Passenger Car - EPA NEPIS
• The Evolution of Catalytic Converters - Royal Society of Chemistry
• 75 Years of Toyota - Catalytic Converters
• Oxygen Sensor History - Walker Products
• Oxygen sensor - Wikipedia
• Evolution of the Catalytic Converter - Walker Exhaust
• The US Experience with the Phasedown of Lead in Gasoline - MIT
• Phasing Out Leaded Gasoline - WorstPolluted.org
• Twenty-Five Years of the Clean Air Act in Perspective - Oklahoma Law Review
• 55 Years of the Clean Air Act - Clarity.io
• History - California Air Resources Board